宇宙在膨胀, 为何我们感觉不到?

20世纪最伟大的科学发现莫过于宇宙膨胀理论——近邻的星系以及遥远的星系都在远离我们,而遥远的星系远离的速度更快,就好像整个宇宙在膨胀伸展。从宏观的角度看,事实也确实如此。如果我们能看到足够远的地方还会发现,遥远地带的星系仿佛被巨大的力量裹挟着,以非常快的速度被越推越远,我们发射的任何信号都无法到达这些星系,即使信号的传播速度为光速。

然而,如果宇宙正以超过光速的速度膨胀,为何我们却感觉不到?我们周围的原子、动物、地球以及太阳系、银河系依然保留着恒定的尺寸,并没有变胖,而且,太阳系中各个行星之间的距离没有发生变化,地球与太阳的距离还是像以前一样远。如果我们的感觉是正确的,那么宇宙中到底是什么东西在膨胀呢?

宇宙从未稳定过

最初,人类对于宇宙的认识源自牛顿,他将宇宙视为一张完全固定的网格,物质填充在这张网格中,通过万有引力和物质运动,维持着绝对的平衡。后来爱因斯坦发现,宇宙的网格并不是像牛顿所描述的那样固定,随着时间的流逝,它可以扭曲拉伸,不断地变化,决定宇宙网格变化的正是网格中的流体、星体物质以及辐射能量。然而,如果扭曲的宇宙时空中只有物质,那么它们免不了会因为万有引力而塌缩到一起,形成黑洞,直至将整个宇宙吞噬掉。爱因斯然并不喜欢这样的推演结果,他在研究宇宙的引力场方程中特别引入了一个反引力的“宇宙常数”来抵消宇宙收缩的趋势,这样就可以让宇宙处于一个近乎恒定的状态。

但并不是所有科学家都觉得宇宙非稳定不可,苏联物理学家亚历山大?弗里德曼就认为,爱因斯坦的“宇宙常数”实在是画蛇添足。随后,弗里德曼从数学上证明,如果不引入“宇宙常数”,同时又承认宇宙中充满了诸如辐射、流体等动态物质的话,那么宇宙将要么收缩下去,要么膨胀下去。

数学推演只能提供各种可能出现的“解”,科学家还是要通过在物理世界中实打实地观察,才能弄清楚宇宙演化的方向。20世纪20年代,埃德温·哈勃观察了46个星座和星系,发现它们的光谱正在红移,这说明它们正在移开。而且,哈勃还发现,星系移开的速度和它们之间的距离之比是一个常数,也就是说,它们离得愈远,分开的速度也愈快。这个关系,被称为哈勃定律,宇宙膨胀理论就此诞生了。

我们感受不到宏大尺度变化

根据哈勃定律,宇宙膨胀的方式仿佛有点反直觉——宇宙网格本身在不断拉伸,其中物体间的距离被越拉越远,如果一物离另一物越远,其间的拉伸就越多,相互远离就越快。这种情况下,如果宇宙中的物质均匀分布,那么物质的密度会越来越小,我们自然会变胖。但是,宇宙中的物质并不是均匀分布的,其中有质量密集的区域,比如星系和星系团,也有密度稀疏的区域,比如巨大的宇宙空洞,这些空洞几乎没有质量。宇宙之所以会这样,是因为宇宙中物质之间存在多种物理作用。在小尺度上,比如动物大小的层面,电磁力和核力起主要作用;在大尺度上,比如恒星、星系的层面,万有引力起主要作用;在极为宏观的尺度上,星系在远离,星系团在分解,宇宙的膨胀起主要作用。据研究,宇宙的原动力来自神秘的暗能量,到目前为止,科学家对这种神秘的暗能量知之甚少。

所以,在宇宙中,宇宙膨胀和万有引力是彼此最大的竞争对手。即使距离我们只有5000万光年的室女座星系,因为宇宙膨胀,也无法通过万有引力把太阳系吸引过去;而太阳系甚至银河系中的星球,则通过万有引力消解了宇宙膨胀的效果,稳定地捆绑在一起。也只有通过这样的竞争,地球和人类才可以稳定地、长期地存活下来,即使是不断膨胀的宇宙也对我们无可奈何。